Глаза хитонов из кристалла арагонита

Антон Лях — Sat, 05 Dec 2015 00:58:29 +0300

Рассказ о том, как геометрическая модель помогла ученым понять работу глаз моллюсков.

Хитоны — это морские панцирные моллюски (класс Polyplacophora), обитатели приливно-отливной зоны. Они регулярно противостоят действию прибоя, поэтому приобрели обтекаемое тело покрытое восемью плотными щитками. Это тот самый панцирь-хитон, ставший названием моллюсков.

Хитон Tonicella lineata. Автор фото Дима Мельниченко

Щитки состоят из арагонита — кристаллической формы карбоната кальция (CaCO₃). По составу он идентичен кальциту — другой форме карбоната, но отличается от него строением кристаллической решетки. Многие живые организмы производят этот минерал в процессе биоминерализации. В частности из арагонита состоит перламутровый слой раковин моллюсков.

Боминерализация — образование твердых неорганических веществ живыми существами.

Щитки пронизаны тысячами узких каналов, где расположены отростки нервной системы. Они выполняют различные сенсорные функции, в том числе фоточувствительную. Часть отростков завершаются простым глазом, который содержит линзу, играющую роль хрусталика.

Простые глаза (оцеллии) содержат одну линзу

О глазах хитонов известно давно: H. N. Moseley описал их еще в 1885 году. Однако ученые долгое время не знали состава линзы-хрусталика. Полагали, что она сформирована из прозрачного белка кристаллина, как хрусталики подавляющего большинства животных. В 2011 году D. I. Speiser с соавторами доказали, что линзы хитонов состоят из арагонита, также, как и панцирь. Это первая находка арагонитовых линз в истории науки.

Хрусталик глаз хитонов — это монолитный кристалл арагонита

Арагонит обладает эффектом двойного лучепреломления — внутри кристалла свет расщепляется на два луча: обыкновенный и необыкновенный. Для них арагонит является средой с разными коэффициентами преломления n. Для обыкновенного луча n_α = 1,53; для необыкновенного n_β = 1,68.

Авторы провели эксперименты с панцирем вида Acanthopleura granulata. Они изучили строение арагонитовых линз и построили геометрическую модель сечения линзы. Сквозь модель, окруженную водой или воздухом, пропустили обыкновенные и необыкновенные лучи света. Оказалось, что в обеих средах один из лучей фокусируется в области сетчатки глаза моллюска.

Геометрическая модель арагонитовой линзы хитона: один из лучей света фокусируется в области сетчатки глаза моллюска в воздухе (слева, синий луч) и в воде (справа, красный луч). Рис. 4, D из статьи D.I. Speiser, D.J. Eernisse, S. Johnsen (2011)

Хитоны обитают в прибойной зоне. Они регулярно оказываются то в воде, то на открытом воздухе. Получается, что поведение лучей света в арагонитовых линзах помогает моллюскам видеть опасность на суше и на море.

Двойное лучепреломление арагонитовой линзы помогает видеть на суше и на море

Однако, не все хитоны имеют глаза. Вид Chaetopleura apiculata без глаз, но содержит фоторецепторы.

Авторы сравнили поведение хитонов с глазами и с фоторецепторами. Они показывали живым моллюскам темные круги на белом фоне или затеняли белый свет. Оказалось, что безглазый Ch. apiculata реагирует на незначительное изменение освещенности вызванное кругом и затенением. Глазастый A. granulata реагирует только на появление круга.

Авторы сделали вывод что A. granulata обладает пространственным зрением и различает объекты. Ch. apiculata ощущет интенсивность света, но объекты не видит и реагирует на любое затенение — даже на пробегающую по небу тучку. Значит он чаще дергается и тратит энергию, когда глазастый хитон спокоен. Таким образом глаза уменьшают вероятность ложных тревог и помогают моллюскам реагировать на непосредственную опасность.

Лучше всего глазастый хитон видит объекты с угловым размером 9°-12°

Глаза помогают хитонам различать непосредственную опасность

Авторы не смогли ответить на вопрос о наличии зрительного центра, который обрабатывает информацию от сотен глаз и формирует единую картинку. Возможно его нет, и каждый глаз хитона напрямую связан с центром реакции.

См. также

Одно из первых описания глаз хитонов. Moseley H.N. (1885) On the presence of eyes in the shells of certain Chitonidae and on the structure of these organs.

Speiser D.I., Eernisse D.J., Johnsen S. (2011) A chiton uses aragonite lenses to form images.

Заметка на Элементах «Минеральные глаза моллюсков хитонов способны различать форму объекта».

Математик среди биологов: заметки с тегом моллюски

Глаза хитонов из кристалла арагонита

См. также